CN111365226A - 一种涡旋机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡旋流体机械技术领域，公开了一种涡旋机构。该涡旋机构包括：机架；静盘，固定于机架，并且机架和/或静盘的周边设置有控制磁体；动盘装配体，动盘装配体位于机架和静盘之间，动盘装配体的周边设置有受控磁体；控制电路，用于控制至少部分控制磁体和受控磁体之间的磁力，使得动盘装配体处于预定姿态。通过上述方式，本发明能够减少机械摩擦、碰撞以及允许涡旋机构设计更大齿高以及更多圈数的涡旋齿，进而提高涡旋机构的工作效率。

Description

一种涡旋机构

技术领域

本发明涉及涡旋流体机械技术领域，特别是涉及一种涡旋机构。

背景技术

涡旋流体机械作为储能、动力设备，广泛应用于社会各个领域，是制冷、气体分离和国防工业的核心设备之一，其中涡旋压缩机、涡旋膨胀机、涡旋液体泵等是最常见的涡旋流体机械类型。

涡旋流体机械主要部件包括机架、主轴、偏心小轴(或十字滑环等)、动盘、定盘。其中动盘和定盘上的涡旋齿型线为基本图形(比如圆、直线、多边形)的渐开线或组合型线等。动涡旋齿、静涡旋齿啮合形成容腔，流体于其中随动盘运动。

在目前的涡旋流体机械中，由于容腔内流体施加于动盘的轴向力和倾覆力矩，导致的动盘和定盘、机架之间机械摩擦严重，并且动盘易发生倾斜，容易与定盘、机架发生碰撞，同时也限制了涡旋齿往更大齿高以及更多圈数的方向设计，上述原因使得目前的涡旋流体机械的工作效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明主要解决的技术问题是提供一种涡旋机构，能够减少机械摩擦、碰撞以及允许涡旋机构设计更大齿高以及更多圈数的涡旋齿，进而提高涡旋机构的工作效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种涡旋机构，该涡旋机构包括：机架；静盘，固定于机架，并且机架和/或静盘的周边设置有控制磁体；动盘装配体，动盘装配体位于机架和静盘之间，动盘装配体的周边设置有受控磁体；控制电路，用于控制至少部分控制磁体和受控磁体之间的磁力，使得动盘装配体处于预定姿态。

本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明提供一种涡旋机构。该涡旋机构通过控制电路控制至少部分控制磁体和受控磁体之间的磁力，由磁力平衡动盘装配体所受到的轴向力和倾覆力矩，使得动盘装配体处于预定姿态，进而使得动盘装配体上轴向力导致的机械摩擦大幅度降低，并使动盘装配体尽量不发生倾斜，能够减少动盘装配体倾斜所导致的和静盘、机架发生碰撞，以及允许通过增大涡旋齿齿高以及圈数的方式增加涡旋机构的流体容腔容积，从而达到无级变容以及提高涡旋机构工作效率的目的。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的涡旋机构的结构示意图；

图2是本发明第一个实施例的涡旋机构调整动盘装配体的结构示意图；

图3是本发明第二个实施例的涡旋机构的结构示意图；

图4是本发明第二个实施例的机架上第二控制磁体的分布示意图；

图5是本发明第二个实施例的机架背面示意图；

图6是本发明第二个实施例的静盘结构示意图；

图7是本发明第三个实施例的机架上第二控制磁体的分布示意图；

图8是本发明第三个实施例的静盘上第一控制磁体的分布示意图；

图9是本发明第三个实施例的一种硅钢片的结构示意图；

图10是本发明第三个实施例的另一种硅钢片的结构示意图；

图11是本发明第三个实施例的一种压板的结构示意图；

图12是本发明第三个实施例的另一种压板的结构示意图；

图13是本发明第三个实施例的第一电磁体和第二电磁体与受控磁体之间的一种电磁磁路的结构示意图；

图14是本发明第三个实施例的第一电磁体和第二电磁体与受控磁体之间的另一种电磁磁路的结构示意图；

图15是本发明第三个实施例的一种永磁块的结构示意图；

图16是本发明第三个实施例的第一永磁体和第二永磁体与受控磁体之间的一种磁路的结构示意图；

图17是本发明第三个实施例的静盘的背面示意图；

图18是本发明第四个实施例的涡旋机构的结构示意图；

图19是本发明第四个实施例的永磁体轴承内外圈Halbach阵列的布置示意图；

图20是本发明第四个实施例的偏心主轴的结构示意图；

图21是本发明第四个实施例的涡旋机构上局部A的放大示意图；

图22是本发明第四个实施例的偏心小轴的结构示意图；

图23是本发明第四个实施例的动盘装配体的结构示意图；

图24是本发明第四个实施例的动盘装配体的背面结构示意图；

图25是本发明第四个实施例的动盘装配体上第二轴承孔的分布示意图；

图26是本发明第五个实施例的涡旋机构的结构示意图；

图27是本发明第五个实施例的动盘装配体的结构示意图；

图28是本发明第五个实施例的动盘的结构示意图；

图29是本发明第五个实施例的受控磁体硅钢片的结构示意图；

图30是本发明第五个实施例的受控磁体压板的结构示意图；

图31是本发明第五个实施例的托盘的结构示意图；

图32是本发明第五个实施例的动盘装配体上第二轴承孔的分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

为解决现有技术中涡旋机构的动盘机械摩擦、碰撞严重以及涡旋齿齿高以及圈数设计受限的技术问题，本发明的一实施例提供一种涡旋机构。该涡旋机构包括：机架；静盘，固定于机架，并且机架和/或静盘的周边设置有控制磁体；动盘装配体，动盘装配体位于机架和静盘之间，动盘装配体的周边设置有受控磁体；控制电路，用于控制至少部分控制磁体和受控磁体之间的磁力，使得动盘装配体处于预定姿态。

以下进行详细阐述。

请参阅图1，图1是本发明涡旋机构第一个实施例的结构示意图。需要说明的是，本发明所提供的涡旋机构可以应用于涡旋压缩机、涡旋膨胀机以及涡旋液体泵等涡旋流体机械，三者具体的内部结构一致，区别仅在于工作原理不同。以下实施例以涡旋机构的具体应用形式为涡旋压缩机为例进行阐述，并非因此对本发明涡旋机构的具体应用形式造成限定。

在一实施例中，涡旋机构包括机架和固定于机架上的静盘，并且机架和/或静盘的周边设置有控制磁体。也就是说，控制磁体可以只设置在机架上，或控制磁体只设置在静盘上，亦或是机架和静盘上均设置有控制磁体。图1展示的涡旋机构以机架和静盘上均设置有控制磁体为例进行阐述，仅为论述需要，并非因此对本发明控制磁体的设置方式造成限定。

如图1所示，涡旋机构包括：

机架11，周边设有第二控制磁体12。

其中，第二控制磁体12可以是电磁体、永磁体或其他类别的磁体中的至少一种。可以理解的是，可以是一个环状的第二控制磁体12配合安装在机架11上，也可以是一块或多块的块状第二控制磁体12安装在机架11上。多个第二控制磁体12可以均匀的设置在机架11的周边。第二控制磁体12可以通过螺纹连接、焊接、铆接或粘接的方式固定设置在机架11上。

静盘110，固定于机架11，周边设有第一控制磁体16。

其中，静盘110可以通过螺纹连接或焊接、铆接、粘接的方式与机架11固定。可以理解的是，可以在静盘110朝向机架11的一侧设置有第一控制磁体安装槽或第一控制磁体安装通孔，第一控制磁体16可以通过螺栓连接、铆接或者其它固定连接方式固定在第一控制磁体安装槽或第一控制磁体安装通孔内。第一控制磁体16可以是电磁体、永磁体或其他类别的磁体中的至少一种。并且，可以是一个环状的第一控制磁体16配合安装在静盘110上，也可以是一块或多块的块状第一控制磁体16安装在静盘110上。多个第一控制磁体16可以均匀地设置在静盘110的周边。

动盘装配体13，位于机架11和静盘110之间，周边设置有受控磁体17。

其中，动盘装配体13设置在静盘110和机架11形成的装配体内的空腔中。动盘装配体13上设置有动涡旋齿19，静盘110上设置有静涡旋齿18，动涡旋齿19和静涡旋齿18配合形成压缩容腔，用于容纳并压缩气体。

偏心主轴14，偏心主轴14包括主轴段和偏心轴段。偏心主轴14的主轴段装配于机架11上，并能够在机架11上绕其轴向自转。动盘装配体13远离静盘110的侧面设置有第一轴承孔15，偏心主轴的偏心轴段嵌入于第一轴承孔15中。

其中，偏心主轴14可驱动动盘装配体13运动，以使动涡旋齿19和静涡旋齿18相互配合，不断对动盘装配体13和静盘110形成的压缩容腔中的气体进行压缩。机架11上的第二控制磁体12和静盘110上的对应位置的第一控制磁体16对受控磁体17施加作用力，从而使动盘装配体13轴向位置固定或发生改变。

控制电路，用于控制至少部分的控制磁体(包括第二控制磁体12和第一控制磁体16)和受控磁体17之间的磁力，使得动盘装配体处于预定姿态。

其中，可以通过控制电路调节第二控制磁体12、第一控制磁体16与受控磁体17之间的磁场强度，从而使第二控制磁体12和第一控制磁体16施加于动盘装配体13上的受控磁体17的磁力发生改变，使动盘装配体13往第二控制磁体12方向或者第一控制磁体16方向移动，即动盘装配体13沿偏心主轴14轴向移动，改变动盘装配体13的轴向位置。其中，涡旋机构的轴向平行于第一方向，偏心主轴14的轴向即定义了涡旋机构的轴向，因此偏心主轴14轴向平行于第一方向。

动盘装配体13受轴向力和倾覆力矩作用，当动盘装配体13发生倾斜时，控制电路根据动盘装配体13上各处轴向位置的改变，调节机架11的第二控制磁体12和静盘110的第一控制磁体16对受控磁体17的电磁力，从而使动盘装配体13处于预定姿态，即动盘装配体13悬浮于机架11和静盘110之间，动盘装配体13与机架11和静盘110均不接触，并且动盘装配体13处于平衡状态，其姿态保持不变。可以理解的是，处于预定姿态的动盘装配体13其仍然可以存在一定程度的倾斜，即动盘装配体13轴线与静盘110轴线存在一定夹角。当然，当动盘装配体13不发生倾斜时，动盘装配体13轴线与静盘110轴线平行，两者均与第一方向平行。

具体可以如图2所示，当动盘装配体13的A处向静盘110倾斜时，为平衡动盘装配体13所受到的倾覆力矩和轴向力，并且为让倾斜的动盘装配体13恢复平衡状态不再倾斜，可以通过让机架11上A”处的第二控制磁体12对受控磁体17施加的作用力增加和让静涡旋盘110上A’处的第一控制磁体16对受控磁体17施加的作用力减少中的至少一种方法使动盘装配体13上的A处回复原先位置(其中A处的原先位置指动盘装配体13未发生倾斜时A处的位置)。

当动盘装配体13的B处向机架11倾斜时，可以通过让机架11上B”处的第二控制磁体12对受控磁体17施加的作用力减小和让静涡旋盘110上B’处的第一控制磁体16对受控磁体17施加的作用力增大中的至少一种方法使动盘装配体13上的B处回复原先位置，从而使动盘装配体13回复原先位置不再倾斜，让动盘装配体13倾覆的姿态得到调整。

换言之，当动盘装配体13一边向静盘110倾斜时，通过让控制电路控制其对应位置的机架11上的第二控制磁体12的磁场强度增加和让控制电路控制其对应位置的静盘110上的第一控制磁体16的磁场强度减少中的至少一种方法使向静盘110倾斜的动盘装配体13的一边回复原先位置。当动盘装配体13一边向机架11倾斜时，通过让控制电路控制其对应位置的机架11上的第二控制磁体12的磁场强度减少和让控制电路控制其对应位置的静盘110的第一控制磁体16的磁场强度增加中的至少一种方法使向机架11倾斜动盘装配体13的一边回复原先位置。此时机架11周边的第二控制磁体12的磁场强度可不一致，静盘110周边的第一控制磁体16的磁场强度可不一致。

可见，当动盘装配体13发生倾斜时，通过控制电路调节机架11上的第二控制磁体12的磁场强度和静盘110上的第一控制磁体16的磁场强度使动盘装配体13恢复到预定姿态。同时使动盘装配体13的轴向受力达到平衡。这样在动涡旋齿19和静涡旋齿18的齿高以及圈数增加的情况下仍不易发生碰撞，从而可以通过增加涡旋齿齿高以及圈数使本发明的涡旋机构最大容积相较现有的涡旋机构而言有较大的提高。

可以理解的是，在控制磁体只设置在机架11上，或控制磁体只设置在静盘110上的情况下，当动盘装配体13倾斜时，通过让控制电路控制机架11上对应位置的第二控制磁体12的磁场强度，或让控制电路控制静盘110上对应位置的第一控制磁体16的磁场强度，使向机架11，或静盘110倾斜的动盘装配体13的一边回复原先位置。

如图2所示，A’处的第一控制磁体16和A”处的第二控制磁体12可以看作是一对磁体，B’处的第一控制磁体16和B”处的第二控制磁体12可以看作是一对磁体，也就是说，机架11上的单个第二控制磁体12和静盘110上与这个第二控制磁体12相对应位置的单个第一控制磁体16构成一对磁体。

通过控制电路实现对第二控制磁体12、第一控制磁体16与受控磁体17之间的磁场强度的动态调整，在动盘装配体13正常运转过程中使动盘装配体13的位置达到轴向平衡，并且让动盘装配体13处于预定姿态，即使动盘装配体13倾斜也可以通过控制电路调节机架11周边某区域的第二控制磁体12和/或静涡旋盘110周边某区域的第一控制磁体16的磁场强度来控制动盘装配体13的空间姿态，从而降低动盘装配体13的倾斜程度，并处于平衡状态。如此一来，允许动涡旋齿19和静涡旋齿18拥有更大的齿高以及更多的圈数，从而使本发明的涡旋机构最大容积相较现有的涡旋机构而言有较大的提高。

在涡旋机构需要变容时，通过磁力的改变，使得动盘装配体13能够沿第一方向平移，对动盘装配体13在第一方向上的位置进行调整，从而改变动盘装配体13和静盘110之间的轴向泄露间隙，改变动涡旋齿19和静涡旋齿18二者在平行于第一方向的平面上的投影的交叠面积，即改变了动涡旋齿19和静涡旋齿18二者相对的面积，压缩容腔内的气体力随之发生变化，通过控制电路对第一控制磁体16和第二控制磁体12的磁场强度的连续调节，使动盘装配体13轴向受力达到新的平衡，实现涡旋机构的气体压缩容积连续调节，达到无级变容的效果。磁力参与平衡动盘装配体13所受的轴向力，大幅度降低了动盘装配体13的机械摩擦，也为偏心主轴14的提速创造了良好的基础，可以通过提高转速进一步提高涡旋机构的气体压缩效率。

本实施例所阐述涡旋机构的变容方式不同于传统的变频变容和数码变容的方式。变频变容引入了10％左右较大的功耗，当与变频匹配的变速电机转速和最高效率点相差较大时，电机效率较低，而数码变容通过单位时间内定、动盘轴向间隙闭合次数的变化来改变有效压缩时间，从而改变排气量，其变容过程中对结构存在冲击，降低了涡旋机构的使用寿命。

请参阅图3-图6，在本发明涡旋机构第一个实施例的基础上，控制磁体包括多个第二控制磁体12和多个第一控制磁体16，该多个第二控制磁体12沿机架11端面周向均匀设置，该多个第一控制磁体16沿静盘110盘面周向均匀设置，第二控制磁体12和第一控制磁体16一一对应设置。控制磁体(包括第二控制磁体12和第一控制磁体16)和受控磁体17在垂直于第一方向的平面上的投影存在交叠。

其中，第一控制磁体16和第二控制磁体12位置相对应、尺寸可保持一致，机架11上的第二控制磁体12的磁场强度和静盘110上的第一控制磁体16的磁场强度可根据实际情况调整。第一控制磁体16和第二控制磁体12同时对处于它们之间的受控磁体17作用时，第一控制磁体16和第二控制磁体12施加在受控磁体17的作用力方向相反，该作用力方向与第一方向平行，参与平衡动盘装配体13所受到的轴向力和倾覆力矩，从而使动盘装配体13能够迅速地在轴向的某个位置达到平衡，完成变容过程，使排量与实际需要相符，实现节能效果。

在一实施例中，第二控制磁体12包括第二永磁体122和第二电磁体121，第一控制磁体16包括第一永磁体162和第一电磁体161，第二永磁体122和第一永磁体162自身的磁场强度恒定，当动盘装配体13位置不变时，第二永磁体122和第一永磁体162作用于受控磁体17的磁力恒定，控制电路用于控制第二电磁体121和第一电磁体161作用于受控磁体17的磁力，使得动盘装配体13处于预定姿态，并且还使得动盘装配体13能够沿第一方向移动。

具体的可如图4和图5所示的一种机架11，表面开设有沿圆周方向均匀分布的第二电磁体安装槽24，第二电磁体安装槽24开设有螺纹孔、供导线进出的导线进出孔。第二电磁体铁芯1211由压板压紧后，用螺钉等紧固件把压板固定在第二电磁体安装槽24内，第二电磁体铁芯1211的齿上安装有导线绕组，第二电磁体铁芯1211及其上的导线绕组构成第二电磁体121。此时的第二电磁体121即为第二控制磁体12。其中，第二电磁体铁芯1211可以是硅钢片组。机架11与静盘110的装配面开设有多个第一螺纹安装孔25，通过螺纹连接可将机架11和静盘110装配在一起，机架11上与静盘110的装配面高出机架11上第二电磁体安装槽24的端面。机架11中心部位开设有可供偏心主轴14穿过的第三轴承孔26，并且该第三轴承孔26沿轴向方向可以分为用于装配偏心主轴14的前滚动轴承210的前轴承孔27和用于装配偏心主轴14的后滚动轴承29的后轴承孔28。

具体的可如图6的一种静盘110，表面开设有沿圆周方向均匀分布的第一电磁体安装槽211，第一电磁体安装槽211开设有螺纹孔、供导线进出的导线进出孔。第一电磁体安装槽211附近开设有可供位移传感器23安装的安装孔。第一电磁体铁芯1611由压板压紧后，用螺钉等紧固件把压板固定在第一电磁体安装槽211内，第一电磁体铁芯1611的齿上安装有导线绕组，第一电磁体铁芯1611及其上的导线绕组构成第一电磁体161。此时的第一电磁体161即为第一控制磁体16。其中，第一电磁体铁芯1611可以是硅钢片组。静盘110与机架11的装配面上有多个第一螺纹安装孔212，通过螺纹连接可将静盘110与机架11装配在一起，静盘110与机架11的装配面高出静盘110上第一电磁体安装槽211的端面，静盘110和机架11装配后构成容纳动盘装配体13及其轴向移动的空间、第二电磁体121和第一电磁体161的工作间隙。静盘110上的涡旋齿18最外侧位置开设有进气孔21，静涡旋齿18内端位置开设有排气孔22。气体从进气孔21进入动涡旋齿19和静涡旋齿18啮合形成的气体压缩容腔，随着动盘装配体13的运动，气体不断向动涡旋齿19和静涡旋齿18的齿线中心移动，所在容腔体积不断变小，以对气体进行压缩，最终从静盘110内端位置的排气孔22排出。由于没有气阀，运动部件少，压缩过程中同时存在多个压缩腔，因此本实施例所阐述的涡旋机构在容积效率、振动、气流脉动、体积等方面均明显优于其它类型的气体压缩机。

需要说明的是，当涡旋机构的具体应用形式为涡旋膨胀机时，从本实施例所阐述涡旋机构的排气孔22通入高压气体并进入中心容腔，推动动盘装配体13，随着动盘装配体13的运动，气体从中心部位逐渐向外围移动，容腔容积不断变大，容腔内气体压力下降，并从本实施例所阐述静盘110外围进气孔21排出。而当涡旋机构的具体应用形式为涡旋液体泵时，涡旋齿的圈数需要限制在1.5圈以内，动盘装配体13整体绕静盘110基圆中心进行顺时针平动，动涡旋齿19和静涡旋齿18互相啮合形成吸液腔.该吸液腔容积随着转角的增大而增大，并吸入液体，在转角达到360°时，吸液腔封闭。当转角继续增大时，内侧啮合点打开，液体在动涡旋齿19和静涡旋齿18的推动下从出口排出。由此可见，本实施所阐述涡旋机构的具体应用形式可以不同，但其结构均保持一致，不需要作出调整，区别仅在于工作原理不同。

涡旋机构还包括检测动盘装配体13轴向位置的位移传感器23，位移传感器23连接控制电路且位于机架11和/或静盘110上，用于检测机架11和/或静盘110与动盘装配体13之间的距离，进而使动盘装配体13处于预定姿态。

具体地，位移传感器23设置的数目可以是1、2、3、4、5、6……。举例而言，位移传感器23可以检测受控磁体17与第二控制磁体12或与第一控制磁体16之间的距离，位移传感器23将检测到的轴向位置反馈给控制电路，控制电路根据位移传感器23的检测结果控制第二控制磁体12和第一控制磁体16中的电流进行电磁力的调节。上文中所述动盘装配体13的预定姿态，即表示各位移传感器23所检测到的受控磁体17与第二控制磁体12或与第一控制磁体16之间的距离均为对应的预设值，则认为动盘装配体13处于预定姿态，一旦部分位移传感器的测量值偏离对应的预设值，则认为动盘装配体13未处于预定姿态，需要进行对应调整。

请参阅图13、14。其中图13、14中封闭的环路即为第一控制磁体16、第二控制磁体12对应的磁路。

在一实施例中，第一控制磁体16的极性不同的磁极同侧设置且位于第一控制磁体16朝向受控磁体17的一侧。第二控制磁体12的极性不同的磁极同侧设置且位于第二控制磁体12朝向受控磁体17的一侧。其中，第一控制磁体16和第二控制磁体12相对的磁极同时吸引或同时排斥受控磁体17，以使第一控制磁体16和第二控制磁体12作用于受控磁体17的磁力方向相反。以上可见，第一控制磁体16、第二控制磁体12的磁极均参与施加受控磁体17以磁力，用于使得动盘装配体13处于预定姿态，即第一控制磁体16、第二控制磁体12的磁极均得到利用，以更合理地利用磁力资源，减少浪费。

在一实施例中，受控磁体17自身可以不带有磁性，其受第二控制磁体12和第一控制磁体16的磁性作用而产生对应的磁性，受控磁体17可用导磁性能良好的软磁性材料制成，或者用导磁性能良好的软磁性材料叠压而成。受控磁体17自身也可以带有磁性，其可用永磁性材料制成。机架11上的第二控制磁体12和静盘110上的第一控制磁体16所产生的磁力线形成各自的闭合回路，同时对受控磁体17产生吸力或斥力，通过第二控制磁体12、第一控制磁体16磁场强度的调节，避免动盘装配体13发生倾斜并可沿着轴向移动。

举例而言，请参阅图13、14。第二电磁体121和第一电磁体161位置相对，两者均由如图9所示的单个硅钢片33构成的硅钢片组和其上装配的导线绕组36构成，给导线绕组36通上图13、14中所示方向电流后产生磁场，磁极分布如图13、14所示，此时第一控制磁体16和第二控制磁体12相对的磁极极性相同。图13展示了受控磁体17自身不带磁性时，受控磁体17受第二控制磁体12和第一控制磁体16的磁性作用而产生对应的磁性，第一控制磁体16和第二控制磁体12同时吸引受控磁体17。图14展示了受控磁体17自身带有磁性时，通过对受控磁体17的磁极设置，使得第一控制磁体16和第二控制磁体12同时吸引或排斥受控磁体17。例如图14所示，受控磁体17由两块永磁铁组成，该两块永磁铁的N极位于同一侧，该两块永磁铁的S极位于同一侧，受控磁体17的N极与第一控制磁体16、第二控制磁体12的S极相对，受控磁体17的S极与第一控制磁体16、第二控制磁体12的N极相对，第一控制磁体16和第二控制磁体12同时吸引受控磁体17。

当然，第一控制磁体16和第二控制磁体12相对的磁极极性也可以不相同，受控磁体17的磁性对应调整，以使第一控制磁体16和第二控制磁体12相对的磁极同时吸引或同时排斥受控磁体17，进而使第一控制磁体16和第二控制磁体12作用于受控磁体17的磁力方向相反。

请参阅图7和图8，在涡旋机构第二个实施例的结构基础上，将第二控制磁体12设置为第二永磁体122和第二电磁体121，将第一控制磁体16设置为第一永磁体162和第一电磁体161。

控制电路调节第二电磁体121和第一电磁体161作用于受控磁体17的电磁力，在电磁力和永磁力共同作用下使动盘装配体13轴向悬浮于机架11、静盘110之间，并且不发生倾斜。第二永磁体122和第一永磁体162对受控磁体17作用的永磁力不消耗电能，能够参与平衡部分动盘装配体13所受到的轴向力，因此可以进一步降低能量消耗。

当第一控制磁体16和第二控制磁体12同时对受控磁体17作用时，机架11上的单个第二电磁体121和静盘110上与其位置对应的单个第一电磁体161构成一对电磁体。每对电磁体可差动连接。实际使用过程中，机架11上的第一对电磁体中的第二电磁体121的电流可为(a+a’)，静盘110上的第一对电磁体中的第一电磁体161的电流可为(a-a’)；机架11上的第二对电磁体中的第二电磁体121的电流可为(b+b’)，静盘110上的第二对电磁体中的第一电磁体161的电流可为(b-b’)；机架11上的第三对电磁体中的第二电磁体121的电流可为(c+c’)，静盘110上的第三对电磁体中的第一电磁体161的电流可为(c-c’)……其中，a、b、c……是第二电磁体121和第一电磁体161输入的偏置电流；a’、b’、c’……是第二电磁体121和第一电磁体161的控制电流，每对电磁体的偏置电流可以相同，也就是说a＝b＝c，控制电流由控制电路根据位移传感器检测结果进行调节。第二电磁体121和第一电磁体161由电磁体铁芯和其上装配的导线绕组36构成。电磁体铁芯由导磁性能良好的软磁材料叠压而成，可以是硅钢片组，硅钢片组的单个硅钢片33可如图9或图10所示，用如图11或图12所示的压板35将硅钢片33两端延伸的部分压紧，压板35上的螺纹孔用于把压板35装配到机架11或静盘110上。

第二永磁体122和第一永磁体162可由稀土永磁材料或铁氧化永磁材料制成。如图15所示，单个永磁块37的背面设有用于和机架11或静盘110装配的螺纹孔。第二永磁体122和第一永磁体162分别包括多个永磁块，第二永磁体122和第一永磁体162可由多个永磁块37按Halbach阵列排布而成，第二永磁体122和第一永磁体162相对设置。如图16所示，磁力线通过动盘装配体13上的受控磁体17形成各自的闭合回路，均对动盘装配体13产生吸力。

如图7所示，本发明的一种机架11，表面开设有沿圆周方向相间分布的第二电磁体安装槽24和第二永磁体安装槽38，第二电磁体安装槽24开设有螺纹孔、供导线进出的导线进出孔。第二电磁体铁芯1211由压板压紧后，用螺钉等紧固件把压板固定在第二电磁体安装槽24内，第二电磁体铁芯1211的齿34上安装有导线绕组36，第二电磁体铁芯1211及其上的导线绕组36构成第二电磁体121，其中，第二电磁体铁芯1211可以是硅钢片组。第二永磁体安装槽38背面开设有螺纹安装孔，第二永磁体122背面开设有螺纹孔，用螺钉等紧固件把第二永磁体122固定在机架11上。机架11与静盘110的装配面312上有多个第一螺纹安装孔25，通过螺纹连接把机架11和静盘110装配在一起，第二电磁体121、第二永磁体122均装配在机架11的端面311上，机架11与静盘110的装配面312高出第二电磁体121装配在机架11端面311。机架11中心部位开设有可供偏心主轴14装配的第三轴承孔26，该第三轴承孔26沿轴向方向可以分为供装配偏心主轴14的前滚动轴承210的前轴承孔27和供装配偏心主轴14的后滚动轴承29的后轴承孔28。另外，机架11上远离静盘110的方向，越过第二电磁体安装槽24位置后左右两侧还可开设有冷却风进出口32。

如图8所示，本发明的一种静盘110，端面316上开设有沿圆周方向相间分布的第一电磁体安装槽211和第一永磁体安装槽313，第一电磁体安装槽211开设有螺纹孔、供导线进出的导线进出孔。第一电磁体安装槽211附近开设有可供位移传感器23安装的安装孔。第一电磁体铁芯1611由压板压紧后，用螺钉等紧固件把第一电磁体铁芯1611固定在第一电磁体安装槽211内，第一电磁体铁芯1611的齿34上安装有导线绕组36，第一电磁体铁芯1611及其上的导线绕组36构成第一电磁体161。其中，第一电磁体铁芯1611可以是硅钢片组。第一永磁体162安装槽313背面开设有螺纹安装孔，第一永磁体162背面开设有螺纹孔，用螺钉等紧固件把第一永磁体162固定在静盘110上。静盘110与机架11的装配面317上有多个第一螺纹安装孔212，通过螺纹连接把静盘110与机架11装配在一起。静盘110与机架11的装配面317高出静盘110上第一电磁体161的安装面316，静盘110和机架11装配后构成容纳动盘装配体13及其轴向移动的空间、第二电磁体121和第一电磁体161的工作间隙。静盘110上的涡旋齿18最外端位置开设有进气孔21，静盘110的涡旋齿18内端位置开设有排气孔22。如图17所示，静盘110的上设置有散热片31。

图18是本发明涡旋机构的第四个实施例的结构示意图。在第三实施例的基础上，第一轴承孔15内固定设置有永磁体轴承外圈41；偏心主轴14嵌入于第一轴承孔15中的偏心轴段固定设置有永磁体轴承内圈42；永磁体轴承外圈41和永磁体轴承内圈42之间设有工作间隙，永磁体轴承内圈42和永磁体轴承外圈41之间存在磁力作用，以使偏心主轴14能够带动动盘装配体13运动；具体地，偏心主轴14的主轴段绕其轴向自转，偏心主轴14的偏心轴段带动动盘装配体13绕偏心主轴14的主轴段的轴线公转。其中，偏心主轴14的主轴段和偏心轴段的轴向平行于上述第一方向。

其中，永磁体轴承内圈42和永磁体轴承外圈41可由稀土永磁材料或铁氧化永磁材料制成。永磁体轴承外圈41由非导磁外护套和配合安装在非导磁外护套内的外永磁环构成，永磁体轴承内圈42由非导磁内护套和固定安装在非导磁内护套外表面的内永磁环构成。永磁体轴承作为驱动轴承避免了动盘装配体13与偏心主轴14之间的摩擦，克服了以往结构温升所导致的滑动轴承或滚动轴承摩擦严重、磨损、破裂、卡死、脱落等问题，不需要润滑，便于装配，增加了涡旋机构的使用寿命。

永磁体轴承外圈41和永磁体轴承内圈42由多个永磁环按照Halbach阵列组合而成，永磁体轴承外圈41的Halbach阵列所形成的增强磁场在永磁体轴承外圈41的内侧，永磁体轴承内圈42的Halbach阵列所形成的增强磁场在永磁体轴承内圈42的外侧，即所形成的增强磁场位于永磁体轴承外圈41和永磁体轴承内圈42之间。

其中，永磁体轴承内圈42和永磁体轴承外圈41的Halbach阵列可如图19所示，永磁体轴承外圈41和永磁体轴承内圈42相对位置的磁极相同，两者相互排斥。当偏心主轴14运动时，在相互排斥的磁场作用下，动盘装配体13随之产生移动，完成对动涡旋齿19和静涡旋齿18之间的多个压缩容腔内气体的压缩。Halbach阵列是将不同磁化方向的多个永磁块按照一定的方式排列在一起，该Halbach阵列能够形成单边显著增强另一边减弱的磁场，按照Halbach阵列排列能够用较少的永磁块得到较大强度的磁场，用于永磁轴承时，可增大工作间隙内的磁场密度，提高永磁体轴承内外圈之间的磁力。

请参阅图18、21。

在一实施例中，涡旋机构还包括设置于机架11和动盘装配体13之间的偏心小轴43，偏心小轴43的主轴段装配于机架11上，动盘装配体13远离静盘110的侧面设置有第二轴承孔47，偏心小轴43的偏心轴段嵌入于第二轴承孔47中，偏心小轴43的主轴段和偏心轴段的轴向平行于上述第一方向。

偏心主轴14与第一轴承孔15配合的偏心轴段与偏心主轴14的其它轴段偏心设置，并且偏心主轴14的偏心距大于偏心小轴43的偏心距。

其中，偏心主轴14偏心距大于偏心小轴43偏心距，使得永磁体轴承内圈42作用于永磁体轴承外圈41的磁力与动盘装配体13所受到的垂直于第一方向的作用力的夹角增大，进一步接近180°，从而使永磁体轴承内圈42作用于永磁体轴承外圈41的磁力方向能基本保持与动盘装配体13所受到的垂直于第一方向的作用力方向相反，较好得平衡动盘装配体13所受到的垂直于第一方向的作用力。具体地，静止时永磁体轴承内外圈41偏心，但内外圈偏心距相差较小，永磁体轴承内圈42对永磁体轴承外圈41施加的作用力较小，由偏心小轴43对动盘装配体13的作用力平衡永磁体轴承内圈42对永磁体轴承外圈41的作用力。偏心主轴14转动一定角度后，永磁体轴承内圈42对永磁体轴承外圈41的作用力与动盘装配体13所受到的垂直于第一方向主要的气体作用力大致相等，方向相反(即永磁体轴承内圈42作用于永磁体轴承外圈41的磁力与动盘装配体13所受到的垂直于第一方向的作用力的夹角为180°)，有利于减小永磁轴承内圈42驱动动盘装配体13时所需的永磁体轴承内圈42与永磁体轴承外圈41之间的磁力。

在一实施例中，涡旋机构包括多个偏心小轴43，用于防止动盘装配体13绕第一方向的公转过程中的自转运动。本实施例以涡旋机构包括三个偏心小轴43为例进行阐述，仅为论述需要，在此不做限定。三个偏心小轴43的中心连线构成等边三角形。该等边三角形的中心与动盘装配体13上生成涡旋线的图形的中心连线，与偏心主轴14的轴向平行，用于防止动盘装配体13绕第一方向的公转过程中的自转运动。

如图18所示，并参考图20，本发明的一种偏心主轴14的偏心轴段安装有按照Halbach阵列排列的永磁体轴承内圈42；偏心主轴14的主轴段安装有前滚动轴承210和后滚动轴承29，偏心主轴14通过前滚动轴承210和后滚动轴承29装配在机架11上。

如图18所示，并参考图21和图22，偏心小轴43的偏心轴段装配有滚动轴承44，偏心小轴43的主轴段装配有第一滚动轴承45和第二滚动轴承46，偏心小轴43通过第一滚动轴承45和第二滚动轴承46安装在机架11上。

动盘装配体13远离静盘110的侧面设置有第二轴承孔47。

偏心小轴43的偏心轴段与第二轴承孔47配合，第二轴承孔47装配有轴承盖48，偏心小轴43的主轴段安装在机架11上；

第二轴承孔47底端设置有环状台阶49，环状台阶49内圈的直径大于滚动轴承44内圈441的外径且小于滚动轴承44外圈442的外径。

轴承盖48设置有向滚动轴承44延伸的环状凸出部410，环状凸出部410的内圈直径大于滚动轴承44内圈441的外径且小于滚动轴承44外圈442的外径。

滚动轴承44与环状台阶49之间在第一方向上的间隙为第一间隙，滚动轴承44与环状凸出部410之间在第一方向上的间隙为第二间隙，第一控制磁体16与受控磁体17之间在第一方向上的间隙为第三间隙，第二控制磁体12与受控磁体17之间在第一方向上的间隙为第四间隙，偏心主轴14的偏心轴段与第一轴承孔15底端之间在第一方向上的间隙为第五间隙；其中，第一间隙小于第四间隙、第五间隙，第二间隙小于第三间隙。

其中，当机架11的第二控制磁体12和/或静盘110的第一控制磁体16异常掉电时，动盘装配体13受力不平衡，动盘装配体13向靠近机架11或静盘110方向倾斜或移动。在该情况下，由于受控磁体17与第一控制磁体16的轴向间距、受控磁体17与第二控制磁体12之间的轴向间距分别大于滚动轴承44与环状凸出部410的轴向间距、滚动轴承44与环状台阶49的轴向间距，偏心小轴43的偏心轴段的滚动轴承外圈442会先与环状凸出部410或环状台阶49接触，因而动盘装配体13不会与机架11或静盘110碰撞，可以有效保护动盘装配体13、静盘装配体110和机架11。

当第一轴承孔15中心线与偏心主轴14的偏心轴段中心线重合时，永磁体轴承外圈41和永磁体轴承内圈42之间在第二方向上的间隙为第六间隙。

当第二轴承孔47中心线与偏心小轴43的偏心轴段中心线重合时，滚动轴承44与第二轴承孔47之间在第二方向上的间隙为第七间隙。其中，第二方向垂直于第一方向，第七间隙小于第六间隙。

其中，第七间隙的大小取决于动涡旋齿19和静涡旋齿18的啮合位置的切向间隙和动涡旋齿19和静涡旋齿18的高度。当至少部分第二控制磁体12和第一控制磁体16异常掉电时，动盘装配体13发生倾斜，偏心小轴43的偏心轴段的滚动轴承外圈442至多运动至抵于第二轴承孔47的孔壁，偏心小轴43的偏心轴段的滚动轴承外圈442与第二轴承孔47的孔壁之间较小的间隙限制了动盘装配体13的倾斜程度，避免动涡旋齿19和静涡旋齿18发生碰撞，可以有效保护动盘装配体13、静盘装配体110；同时还能够避免第一轴承孔15与偏心主轴14的偏心轴段接触，造成机械摩擦、碰撞。

在一实施例中，动盘装配体13的结构可以如图23所示，动盘装配体13上设置有涡旋齿19，动盘装配体13的涡旋齿19齿高与静盘的涡旋齿18齿高相同。动盘装配体13外缘装配有受控磁体17，受控磁体可以是环形电工纯铁413，动盘装配体13上环形电工纯铁413结构如图24所示，其整体呈环形，电工纯铁413厚度方向与动盘端面垂直，用螺纹连接把电工纯铁413固定在动盘装配体13上。动盘装配体13背面中心位置的第一轴承孔15内装配有永磁体轴承外圈41，动盘装配体13背面沿圆周方向设置有多个第二轴承孔47，第二轴承孔47的数目可以是1个或多个，第二轴承孔47装配有轴承盖48，永磁体轴承外圈41与永磁体轴承内圈42之间存在径向工作间隙。动盘装配体13的第二轴承孔47与偏心小轴43偏心段的滚动轴承外圈442之间为间隙配合，动盘装配体13与偏心小轴43的间隙装配关系为涡旋机构的变容过程提供了滑动副。动盘装配体13的背面投影局部如图25所示，动盘装配体13上的三个第二轴承孔47的中心连线411构成等边三角形，该等边三角形形心412与动涡旋齿19的基圆(或其它可生成渐开线的图形)中心在垂直于第一方向的平面上的投影位置一致，并且尽量与动盘装配体13上永磁体轴承外圈41的中心对齐。

如图26、图27所示，图26是本发明涡旋机构第五个实施例的结构示意图。图27是本发明动盘装配体13的结构示意图。在第四实施例的基础上，动盘装配体13分为固定装配的动盘131和托盘132，动盘131和静盘110之间形成封闭的压缩容腔，动盘131背面有散热结构51，托盘132中心设置有第一轴承孔15，周边设置有第二轴承孔47，偏心主轴14的偏心轴段与第一轴承孔15配合，偏心小轴43的偏心轴段与第二轴承孔47配合。

动盘装配体13如图27所示，动盘装配体13由动盘131和托盘132用螺纹连接在一起。动盘131的结构可如图28所示，动盘131上设置有动涡旋齿19，动涡旋齿19的齿高与静涡旋齿18的齿高相同。请参阅图28，动盘131外缘沿圆周方向开设有多个受控磁体安装槽。每个受控磁体安装槽内装有受控磁体17，受控磁体17可以是一组硅钢片，硅钢片组宽度方向与动盘131端面垂直，用压板把硅钢片组固定在受控磁体安装槽内，动涡旋齿19的顶端凸出动盘131靠近静盘110的端面设置，以保证第一控制磁体16和受控磁体17之间的正常工作间隙。动盘131背面的散热结构51上设有多个螺纹孔，动盘131通过螺纹孔与托盘132连接在一起。如图29所示，受控磁体硅钢片52两端各有一翅部，用于动盘131的受控磁体硅钢片组的安装和固定，用如图30所示的受控磁体压板53把受控磁体硅钢片组压紧在受控磁体安装槽内，动盘131的受控磁体安装槽和受控磁体压板53的顶部均设有螺纹孔，通过螺纹连接把受控磁体压板53安装在动盘131上。

托盘132如图31所示，托盘132背面沿圆周方向有3个第二轴承孔47，第二轴承孔47端部装配有轴承盖48，托盘132中心位置装配有永磁体轴承外圈41，永磁体轴承外圈41与永磁体轴承内圈42之间存在第二方向上的工作间隙。第二轴承孔47内的环状台阶49端面与偏心小轴43的偏心轴段的滚动轴承的端面之间以及轴承盖48的端面与偏心小轴43偏心段的滚动轴承的端面之间均存在轴向间隙，托盘132上的第二轴承孔47与偏心小轴43的偏心轴段的滚动轴承之间为间隙配合。托盘132与偏心小轴43之间的间隙配合为涡旋机构的变容过程提供了滑动副。托盘132上设置有内外两圈螺纹孔，用于和动盘装配体13的装配。托盘132的背面投影局部如图32所示，托盘132上设置的三个第二轴承孔47的中心连线构成等边三角形，该等边三角形形心与动盘131涡旋线的基圆(或其它可生成渐开线的图形)中心在垂直于第一方向的平面上的投影位置一致，并且尽量与托盘132上永磁体轴承外圈41的中心对齐。

在本实施例中，通过将动盘装配体13分成固定连接在一起的动盘131和托盘132，可以在动盘装配体13上设置散热结构51，用于降低动盘装配体13和静盘110的温度，减小结构的热变形。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种涡旋机构，其特征在于，所述涡旋机构包括：

机架；

静盘，固定于所述机架，并且所述机架和/或所述静盘的周边设置有控制磁体；

动盘装配体，所述动盘装配体位于所述机架和所述静盘之间，所述动盘装配体的周边设置有受控磁体；

控制电路，用于控制至少部分所述控制磁体和所述受控磁体之间的磁力，使得所述动盘装配体处于预定姿态。

2.根据权利要求1所述的涡旋机构，其特征在于，所述涡旋机构的轴向平行于第一方向，所述控制磁体和所述受控磁体在垂直于所述第一方向的平面上的投影存在交叠，所述控制电路用于控制至少部分所述控制磁体作用于所述受控磁体的磁力，以使所述动盘装配体悬浮于所述机架和所述静盘之间，且所述动盘装配体处于平衡状态。

3.根据权利要求2所述的涡旋机构，其特征在于，所述控制磁体包括多个第一控制磁体和多个第二控制磁体，所述多个第二控制磁体沿所述机架端面周向均匀设置，所述多个第一控制磁体沿所述静盘盘面周向均匀设置，所述第二控制磁体和所述第一控制磁体一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的涡旋机构，其特征在于，所述第一控制磁体包括第一永磁体和第一电磁体，所述第二控制磁体包括第二永磁体和第二电磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体自身的磁场强度恒定，所述控制电路用于控制所述第一电磁体和所述第二电磁体作用于所述受控磁体的磁力，使得所述动盘装配体处于所述预定姿态，并且还使得所述动盘装配体能够沿所述第一方向移动。

5.根据权利要求4所述的涡旋机构，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别包括多个永磁块，所述第一永磁体和所述第二永磁体的永磁块按照Halbach阵列排布，所形成的增强磁场位于所述第一永磁体和所述受控磁体之间、以及所述第二永磁体和所述受控磁体之间。

6.根据权利要求3所述的涡旋机构，其特征在于，所述第一控制磁体的极性不同的磁极同侧设置且位于所述第一控制磁体朝向所述受控磁体的一侧；

所述第二控制磁体的极性不同的磁极同侧设置且位于所述第二控制磁体朝向所述受控磁体的一侧；

其中，所述第一控制磁体和所述第二控制磁体相对的磁极同时吸引或同时排斥所述受控磁体，以使所述第一控制磁体和所述第二控制磁体作用于所述受控磁体的磁力方向相反。

7.根据权利要求2所述的涡旋机构，其特征在于，所述涡旋机构还包括位移传感器，所述位移传感器连接所述控制电路且位于所述机架和/或所述静盘上，用于检测所述机架和/或所述静盘与所述动盘装配体之间的距离，进而使所述动盘装配体处于所述预定姿态。

8.根据权利要求3所述的涡旋机构，其特征在于，所述涡旋机构还包括偏心主轴，所述偏心主轴的主轴段装配于所述机架上，所述动盘装配体远离所述静盘的侧面设置有第一轴承孔，所述偏心主轴的偏心轴段嵌入于所述第一轴承孔中，所述偏心主轴的主轴段和偏心轴段的轴向平行于所述第一方向；

其中，所述偏心主轴的偏心轴段设置有永磁体轴承内圈，所述第一轴承孔内设置有永磁体轴承外圈，所述永磁体轴承内圈和所述永磁体轴承外圈之间存在磁力作用，以使所述偏心主轴能够带动所述动盘装配体运动。

9.根据权利要求8所述的涡旋机构，其特征在于，所述永磁体轴承外圈和所述永磁体轴承内圈分别由多个永磁环按照Halbach阵列组合而成，所形成的增强磁场位于所述永磁体轴承外圈和所述永磁体轴承内圈之间。

10.根据权利要求9所述的涡旋机构，其特征在于，所述永磁体轴承外圈和所述永磁体轴承内圈二者相对侧的对应位置的磁极极性相同，形成相斥状态。

11.根据权利要求8所述的涡旋机构，其特征在于，所述涡旋机构还包括偏心小轴，所述偏心小轴的主轴段装配于所述机架上，所述动盘装配体远离所述静盘的侧面设置有第二轴承孔，所述偏心小轴的偏心轴段嵌入于所述第二轴承孔中，所述偏心小轴的主轴段和偏心轴段的轴向平行于所述第一方向。

12.根据权利要求11所述的涡旋机构，其特征在于，所述第二轴承孔上装配有轴承盖，所述轴承盖和所述第二轴承孔底端之间的所述偏心小轴的轴段外装配有滚动轴承；

所述第二轴承孔底端设置有环状台阶，所述环状台阶内圈的直径大于所述滚动轴承内圈的外径且小于所述滚动轴承外圈的外径；

所述轴承盖设置有向所述滚动轴承延伸的环状凸出部，所述环状凸出部的内圈直径大于所述滚动轴承内圈的外径且小于所述滚动轴承外圈的外径；

所述滚动轴承与所述环状台阶之间在所述第一方向上的间隙为第一间隙，所述滚动轴承与所述环状凸出部之间在所述第一方向上的间隙为第二间隙，所述第一控制磁体与所述受控磁体之间在所述第一方向上的间隙为第三间隙，所述第二控制磁体与所述受控磁体之间在所述第一方向上的间隙为第四间隙，所述偏心主轴的偏心轴段与所述第一轴承孔底端之间在所述第一方向上的间隙为第五间隙；其中，所述第一间隙小于所述第四间隙、所述第五间隙，所述第二间隙小于所述第三间隙。

13.根据权利要求12所述的涡旋机构，其特征在于，当所述第一轴承孔中心线与所述偏心主轴的偏心轴段中心线重合时，所述永磁体轴承外圈和所述永磁体轴承内圈之间在第二方向上的间隙为第六间隙；

当所述第二轴承孔中心线与所述偏心小轴的偏心轴段中心线重合时，所述滚动轴承与所述第二轴承孔之间在所述第二方向上的间隙为第七间隙；

其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第七间隙小于所述第六间隙。

14.根据权利要求11所述的涡旋机构，其特征在于，所述偏心主轴的偏心距大于所述偏心小轴的偏心距。

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